Digital/Analog-Wandler (DAC)

Ein Analog/Digital-Wandler (A/D-Wandler oder ADC) wandelt reale Signale wie Sensordaten, Audiosignale oder Strommessungen in digitale Daten um, wobei die in der Bezeichnung enthaltenen Bits nicht der tatsächlichen Auflösung des Ausgangs entsprechen. Ein 16-Bit-A/D-Wandler kann unter vielen realen Bedingungen (insbesondere bei höheren Eingangsfrequenzen) effektiv eher 13 bis 14 Bits liefern, da die tatsächliche Leistung auch von Rauschen und Verzerrung abhängt und nicht nur von der Auflösung allein. Die Kennzahl, die dies angibt, ist die effektive Auflösung in Bit (effective number of bits, ENOB): Sie spiegelt wider, wie viele Bits nach Berücksichtigung von Rauschen und Nichtlinearität wirklich nutzbar sind, und wird aus dem Rauschabstand und der Verzerrung eines Signals (signal-to-noise-and-distortion ratio, SINAD) berechnet. Achten Sie bei der Analyse von Datenblättern auf Diagramme wie SINAD oder ENOB gemessen an der Eingangsfrequenz sowie INL/DNL-Diagramme, die Ihnen Aufschluss darüber geben, wie sich der A/D-Wandler in Ihrem Signalbereich und unter realen Betriebsbedingungen tatsächlich verhält. Neben dem Wandler selbst bestimmt die Signalkette die maximale Auflösung: Ein schlecht abgestimmter Treiberverstärker ist einer der häufigsten Gründe für ein Leistungsdefizit eines hochauflösenden A/D-Wandlers, und die Instabilität der Referenzspannung beeinträchtigt die Genauigkeit unabhängig davon, wie gut alles andere ausgelegt ist. Auch die Anti-Alias-Filterung ist zu berücksichtigen. Ohne eine geeignete Filterung vor dem Eingang spiegelt sich bandfremdes Rauschen in das Nutzband zurück und erscheint als gültige Daten innerhalb des Nutzbandes.

Bei der Auswahl der Architektur sollten Sie die Signaleigenschaften auf den Wandlertyp abstimmen und dabei die folgenden Grundsätze berücksichtigen: Sigma-Delta-A/D-Wandler eignen sich ideal für langsame, hochauflösende Messungen. Eine EKG-Anwendung in der Medizin erfordert beispielsweise sowohl eine hohe effektive Auflösung als auch eine starke Gleichtaktunterdrückung, um Herzsignale mit Mikrovoltpegeln aus einer Körperumgebung mit starkem Hintergrundrauschen zu extrahieren, weswegen das Oversampling und die digitale Filterung von Sigma-Delta-Wandlern hier die naheliegende Lösung sind. SAR-A/D-Wandler sind das Zugpferd für industrielle Anwendungen wie Prozessregelschleifen mit 4 bis 20 mA, bei denen ein deterministisches Timing, eine moderate Auflösung und ein geringer Stromverbrauch wichtiger sind als die reine Geschwindigkeit, und bei denen ein ausgewogenes Verhältnis von Auflösung, Durchsatz und vorhersehbarer Latenz nur schwer zu erreichen ist. Pipeline-A/D-Wandler dominieren in Kommunikations- und HF-Sampling-Anwendungen, bei denen der Durchsatz die wichtigste Anforderung ist. In diesem Zusammenhang sind Kennzahlen wie der störungsfreie Dynamikbereich (spurious-free dynamic range, SFDR) und SINAD (oder anwendungsabhängig der Gesamtklirrfaktor plus Rauschen (total harmonic distortion plus noise, THD+N)) wichtiger als der Rauschabstand (signal-to-noise ratio, SNR) allein. Flash-A/D-Wandler sind aufgrund ihres Stromverbrauchs und ihrer Komplexität Nischenanwendungen mit extrem hoher Geschwindigkeit vorbehalten. Befolgen Sie die nachstehenden Schritte, um den richtigen Wandler auszuwählen: Definieren Sie Ihre Signalbandbreite, legen Sie Ihre Abtastrate fest (mindestens das Zweifache Ihre Signalbandbreite mit Spielraum für die Filterung), bestimmen Sie die effektive Auflösung, die Ihre Anwendung tatsächlich benötigt, wählen Sie eine Architektur und validieren Sie dann Ihren Frontend-Treiber und Ihre Spannungsreferenz. Die Abstimmung der Architektur auf die Anforderungen einer Anwendung und nicht der Wandler mit der höchsten Auflösung unterscheidet ein funktionierendes Design von einem, das auf dem Prüfstand enttäuscht.

Selbst ein sorgfältig ausgewählter A/D-Wandler kann eine unterdurchschnittliche Leistung erbringen, wenn das System um ihn herum nicht stimmt. Daher ist es ebenso wichtig wie der Auswahlprozess selbst, zu wissen, worauf zu achten ist, wenn die gemessenen Ergebnisse nicht den Erwartungen entsprechen. Wenn Ihre effektive Auflösung niedriger ist als im Datenblatt angegeben, sind der Treiberverstärker und die Spannungsreferenz die ersten Verdächtigen, da Rauschen oder Instabilität in beiden Bereichen diese direkt reduzieren. Ein unerwartet hohes Grundrauschen, das sich auch durch Mittelung des Signals nicht verbessert, deutet in der Regel auf ein mangelhaftes Leiterplattenlayout hin: Teilungen der Masseflächen, eine unzureichende Entkopplung der Versorgung von den Analogeingängen oder die Einkopplung von digitalem Schaltrauschen im Analogteil sind die häufigsten Gründe hierfür. Wenn Sie fehlende Codes oder eine ausgeprägte Nichtlinearität feststellen, überprüfen Sie zunächst die Stabilität der Referenz und die Entkopplung und stellen Sie dann sicher, dass das Eingangssignal das Frontend nicht übersteuert oder die Timing-Bedingungen verletzt. Aliasing-Artefakte (Frequenzkomponenten, die in den abgetasteten Daten nicht vorhanden sein sollten) deuten fast immer auf eine ungeeignete Flankensteilheit des Anti-Alias-Filters vor der Eingangsstufe hin. In jedem Fall ist der Diagnosepfad derselbe: Isolieren Sie die Signalkette einer Stufe nach der anderen, beginnend am Eingang und hin zum digitalen Ausgang, und vergleichen Sie die gemessenen Werte für SNR und THD mit den Datenblattbedingungen (Eingangsfrequenz, Amplitude, Abtastrate und Testaufbau), unter denen diese technischen Daten ermittelt wurden.